CN101397903B - 一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法 - Google Patents

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一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法。主要解决现有监测套管周向变形技术中采用电阻应变片，易受井下电磁干扰以及腐蚀的影响，导致所测得的套管周向应变信号不准确的问题。其特征在于：将光纤光栅传感器沿套管周向布设在套管外，其中多个光纤光栅传感器均布在套管四周，相邻间距截面成一定角度，在距此组传感器相应距离处布设光纤温度补偿传感器，应用光纤光栅传感器监测距一定范围内的套管周向形变及其受力状况，同时应用温度补偿传感器作为应变传感器的温度补偿和井下温度监测，传感器通过传输光缆将地下信号传送至地面，经过解调仪获取信息以及二次处理后即可转化为需要的套管周向应变信息。具有可不受井下电磁干扰的特点。

Description

一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法
技术领域：
本发明涉及油田套管损伤研究领域中一种监测套管周向应变的方法，具体的说是涉及一种基于光纤光栅传感而应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法。
背景技术：
目前，在油田油、水井套损研究领域中，管外监测套管周向变形的方法是：在套管表层外布设电阻应变片，然后由传输线路把电阻应变片产生的应变电信号传送到地面。这种方法存在的最大问题就是电阻应变片易受井下电磁干扰以及腐蚀的影响，导致所测得的套管周向应变信号不准确。
发明内容：
为了解决现有监测套管周向变形技术中采用电阻应变片，易受井下电磁干扰以及腐蚀的影响，导致所测得的套管周向应变信号不准确的问题，本发明提供一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法，应用本方法，具有可不受井下电磁干扰的特点，并且所使用的光纤光栅传感器组经过特殊改装，十分耐腐蚀，非常适于在井下恶劣的环境条件下使用。
本发明的技术方案是：本种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法，由以下步骤构成：将一组沿套管周向布置的光纤光栅传感器以及一个光纤温度补偿传感器串连连接后，经玻璃纤维布和环氧树脂胶包裹，所引出的信号线与传输光缆连接，所述传输光缆的另一端连接至位于地面上的光纤光栅解调仪，将由所述光纤光栅解调仪获得的光栅中心波长信息，通过温度补偿和初值补偿后，按照以下二次解调方法转化为套管周向变形信息。其中所述二次解调方法为：
在实际监测过程中，应用所述光纤光栅解调仪测试采样时刻各个光纤光栅传感器的中心波长信息，即λ；
将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤光栅传感器的中心波长通过可移动存储设备导出；
应用所述光纤光栅解调仪测试光纤温度补偿传感器的中心波长信息，即λT；
将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤温度补偿传感器的中心波长信息通过可移动存储设备导出；
由于光纤温度补偿传感器不受外力，因此其中心波长为λT＝CTΔT，将其与温度、应变耦合模型结合，即
Δλ＝CεΔε+CTΔT                (1)
Figure GSB00000843963000021
得到：λε＝Δλ-ΔλT＝CεΔε    (3)
其中，Δλ、ΔλT、Cε、CT以及Δε分别依次为光纤光栅传感器中心波长变化量、光纤温度补偿传感器的中心波长变化量、光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数、光纤光栅温度传感的灵敏度系数以及变形量，ΔT为温度变化量；
按上述公式(1)～公式(3)对所存储的数据进行计算，即可得到变形量与光纤光栅传感器(7)的中心波长之间的关系，由于光纤光栅传感器是沿套管周向布设，与套管周向协同变形，因此所求取的变形量λε就是套管的周向变形。
为达到较好的监测效果，在完成上述步骤时，可以按照以下方式进行：
①确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定位接头；
②将4根光栅光栅传感器和1个光纤温度补偿传感器熔接在一起；
③丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面，保证其表面无杂质；
④将套管表面垂直对准定位接头的位置确定为第一支裸光纤光栅传感器L-1的位置，用化学胶固定于套管表面；
⑤按照上述方法在套管周向间隔一定角度布设其余裸光纤光栅传感器，按顺时针编号L-2，L-3，L-4；
⑥距此组光纤光栅传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器，并将多个传感器的出头与传输光缆熔接；
⑦把传感器处、套管上有光纤传输电缆部分及其沿轴向3米范围内用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；
⑧在出口处的传输光缆一端熔接跳线头，连接光纤光栅解调仪，准备下套管；
⑨下套管过程中传输光缆由钻台井口处随单根套管下入井内，每根套管接箍处采用1个光缆保护罩对传输光缆进行保护。
本发明具有如下有益效果：本发明将光纤光栅传感原理首次应用在监测套管周向应变领域中，利用可求取的光纤光栅传感器的变形量而得出与之周向协同变形的套管的周向变形量，克服了现有技术中采用电阻应变片易受电磁干扰的局限，具有革命性的突破。此外，本发明在应用时，对普通的光纤光栅传感器组利用环氧树脂和玻璃纤维布包覆保护后封装，使得这种改进了的光纤光栅传感器可以适应井下恶劣的作业条件，确保了对套管周向变形监测的稳定性。
附图说明：
图1是本发明中所涉及方法的工作过程示意图。
图2是本发明中所使用的传输电缆的结构示意图。
图3是本发明中沿套管周向布置的光纤光栅传感器的剖面图。
图中1-套管，2-套管接箍，3-光纤温度补偿传感器，4-定位接头，5-地层，6-目的层套管接箍，7-光纤光栅传感器，8-环氧树脂胶和玻璃纤维布，9-光缆保护罩，10-传输光缆，11-光纤光栅解调仪，12-外PU护套，13-外层金属编织网，14-内PU护套，15-内层金属编织网，16-凯夫拉纤维，17-金属软管，18-光纤。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明中所述方法是应用光纤光栅传感原理，将光纤光栅传感器沿套管周向布设在套损频发层段的预设套管表外。其中多个裸光纤光栅传感器均布在套管四周，相邻间距截面成一定角度。在距此组传感器相应距离处布设光纤温度补偿传感器。应用光纤光栅传感器监测距传感器一定范围内的套管微形变及其受力状况，同时应用温度补偿传感器作为应变传感器的温度补偿和井下温度监测。传感器通过传输光缆将地下信号传送至地面，经过解调仪后续处理即可转化为需要的压力和温度。基于光纤光栅原理而制造出来的光纤光栅传感器已经在许多领域得到了应用，但是在油田套管损伤研究领域的应用却是本发明首次涉及，本方法的具体构成为：
将一组沿套管周向布置的光纤光栅传感器7以及一个光纤温度补偿传感器3串连连接后，经玻璃纤维布和环氧树脂胶包裹，所引出的信号线与传输光缆10连接，所述传输光缆10的另一端连接至位于地面上的光纤光栅解调仪11，将由所述光纤光栅解调仪11获得的光栅中心波长信息，通过温度补偿和初值补偿后，按照以下二次解调方法转化为套管周向变形信息，其中所述二次解调方法为：
在实际监测过程中，应用所述光纤光栅解调仪11测试采样时刻各个光纤光栅传感器7的中心波长信息，即λ；
将所述光纤光栅解调仪11中的采样时刻光纤光栅传感器7的中心波长通过可移动存储设备导出；
应用所述光纤光栅解调仪11测试光纤温度补偿传感器3的中心波长信息，即λT；
将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤温度补偿传感器3的中心波长信息通过可移动存储设备导出；
由于光纤温度补偿传感器3不受外力，因此其中心波长为λT＝CTΔT，将其与温度、应变耦合模型结合，即
Δλ＝CεΔε+CTΔT                (1)
Figure GSB00000843963000041
得到：λε＝Δλ-ΔλT＝cεΔε    (3)
其中，Δλ、ΔλT、Cε、CT以及Δε分别依次为光纤光栅传感器中心波长变化量、光纤温度补偿传感器的中心波长变化量、光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数、光纤光栅温度传感的灵敏度系数以及变形量；
按上述公式(1)～公式(3)对所存储的数据进行计算，即可得到变形量与光纤光栅传感器7的中心波长之间的关系，由于光纤光栅传感器7是沿套管周向布设，与套管周向协同变形，因此所求取的变形量λε就是套管的周向变形。
为达到较好的监测效果，在完成沿套管周向布置光纤光栅传感器7以及一个光纤温度补偿传感器3，以及引出信号线与传输光缆10连接的过程按照如下步骤进行：
①确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定位接头4；
②将4根光纤光栅传感器和1个光纤温度补偿传感器熔接在一起；
③丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面，保证其表面无杂质；
④将套管表面垂直对准定位接头4的位置确定为第一支裸光纤光栅传感器L-1的位置，用化学胶固定于套管表面；
⑤按照上述方法在套管周向间隔一定角度布设其余裸光纤光栅传感器，按顺时针编号L-2，L-3，L-4……；
⑥距此组光纤光栅传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器，并将多个传感器的出头与传输光缆10熔接；
⑦把传感器处、套管上有光纤传输线部分及其沿轴向3米范围内用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；
⑧在出口处的传输光缆一端熔接跳线头，连接光纤光栅解调仪11，准备下套管；
⑨下套管过程中传输光缆由钻台井口处随单根套管下入井内，每根套管接箍2处采用1个光缆保护罩9对传输光缆进行保护。
为提高抗拉强度及抗侧压强度，所采用的传输光缆10依次由内而外由光纤18、金属软管17、凯夫拉纤维16、内层金属编织网15、内PU护套14、外层金属编织网13以及外PU护套12组成，如图2所示，这样改进后，抗拉强度及抗侧压强度分别增加了4倍和5倍，非常适合井下的恶劣工况。此外，可以将光纤温度补偿传感器3置于钢针针管内，这样既可以保护传感器，而且由于金属具有良好的导热性，又可以保证传感器的数值准确的反应温度变化引起的应变值。
在具体实施时，光纤光栅传感器为哈尔滨市泰达尔科技有限公司所生产的GFRP-OFBG传感器，其60℃2个月的碱强度损失率(PH＞13)低于24.8％，酸强度损失率(PH＜1)低于12.5％；盐强度损失率(NaCl)低于6.8％，其精度可达到±5με，具体指标如表1所示。
Figure GSB00000843963000061
表1
所用光纤光栅解调仪选用美国微光学公司生产的SM125光纤光栅解调仪。
上述方法已在杏10-4-丙3132井试验实施，其中，杏10-4-丙3132井嫩II段标准层深度803米，定位接头下深809.52米，传感器布设在距离定位接头顶部1.5米处，下深808.02米。采用12个裸光纤光栅传感器均部在套管四周，相邻间距截面成30度，并在裸光纤光栅传感器附近布设温度补偿传感器。传输光缆在套管接箍位置用光缆保护罩进行保护。传感器通过传输光缆将地下信号传送至地面，经过解调仪后续处理即可转化为需要的压力和温度。下套管前一天完成传感器布设，其具体施工工艺流程如下：
1)确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定位接头；
2)将4根裸光栅应变传感器和1个温度传感器熔接在一起；
3)丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面，保证其表面无杂质；
4)将套管表面垂直对准定位接头的位置确定为第一支裸光纤光栅传感器L-1的位置，用502胶固定光栅于套管表面；
5)按照此种方法在套管周向间隔30度布设其余3支裸光纤光栅传感器；
6)同样方法在距此组传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器W-1，并将5个传感器的出头与传输铠装光缆熔接；
7)把传感器处、套管上有光纤传输线部分及其沿轴向3米范围内用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；
8)在出口处的铠装光缆一端熔接跳线头，连接解调仪，准备下套管；
9)下套管过程中传输光缆由钻台井口处随单根套管下入井内，每根套管接箍处采用1个光缆保护罩对传输光缆进行保护，同时应用解调仪对传感器数值进行实时监测；
10)光缆接出井口后，重新熔接跳线头，并接入接线盒内进行保护，便于后续监测。
在完成上述工作过程中，由于存在大量的数据计算，因此可以开发计算机软件将经过光纤光栅解调仪一次解调后得到信息转化成所需要的套管周向应变信息，以省去大量的人工计算。

Claims (4)

1.一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法，其特征在于：将一组沿套管周向布置的光纤光栅传感器(7)以及一个光纤温度补偿传感器(3)串连连接后，经玻璃纤维布和环氧树脂胶包裹，所引出的信号线与传输光缆(10)连接，所述传输光缆(10)的另一端连接至位于地面上的光纤光栅解调仪(11)，将由所述光纤光栅解调仪(11)获得的光栅中心波长信息，通过温度补偿和初值补偿后，按照以下二次解调方法转化为套管周向变形信息，其中所述二次解调方法为：
在实际监测过程中，应用所述光纤光栅解调仪(11)测试采样时刻各个光纤光栅传感器(7)的中心波长信息，即λ；
将所述光纤光栅解调仪(11)中的采样时刻光纤光栅传感器(7)的中心波长通过可移动存储设备导出；
应用所述光纤光栅解调仪(11)测试光纤温度补偿传感器(3)的中心波长信息，即λT；
将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤温度补偿传感器(3)的中心波长信息通过可移动存储设备导出；
由于光纤温度补偿传感器(3)不受外力，因此其中心波长为λT＝CTΔT，将其与温度、应变耦合模型结合，即
Δλ＝CεΔε+CTΔT                    (1)
Figure FSB00000843962900011
得到：λε＝Δλ-ΔλT＝CεΔε        (3)
其中，Δλ、ΔλT、Cε、CT以及Δε分别依次为光纤光栅传感器中心波长变化量、光纤温度补偿传感器的中心波长变化量、光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数、光纤光栅温度传感的灵敏度系数以及变形量；ΔT为温度变化量；
按上述公式(1)～公式(3)对所存储的数据进行计算，即可得到变形量与光纤光栅传感器(7)的中心波长之间的关系，由于光纤光栅传感器(7)是沿套管周向布设，与套管周向协同变形，因此所求取的变形量λε就是套管的周向变形。
2.根据权利要求1所述的一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法，其特征在于完成权利要求1中所述沿套管周向布置光纤光栅传感器(7)以及一个光纤温度补偿传感器(3)，以及引出信号线与传输光缆(10)连接的过程按照如下步骤进行：
①确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定位接头(4)；
②将4根光纤光栅传感器和1个光纤温度补偿传感器熔接在一起；
③丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面，保证其表面无杂质；
④将套管表面垂直对准定位接头(4)的位置确定为第一支裸光纤光栅传感器L-1的位置，用化学胶固定于套管表面；
⑤按照上述方法在套管周向间隔一定角度布设其余裸光纤光栅传感器，按顺时针编号L-2，L-3，L-4；
⑥距此组光纤光栅传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器，并将多个传感器的出头与传输光缆(10)熔接；
⑦把传感器处、套管上有传输光缆(10)部分及其沿轴向3米范围内用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；
⑧在出口处的传输光缆一端熔接跳线头，连接光纤光栅解调仪(11)，准备下套管；
⑨下套管过程中传输光缆由钻台井口处随单根套管下入井内，每根套管接箍(2)处采用1个光缆保护罩(9)对传输光缆进行保护。
3.根据权利要求2所述的一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法，其特征在于：所采用的传输光缆(10)依次由内而外由光纤(18)、金属软管(17)、凯夫拉纤维(16)、内层金属编织网(15)、内PU护套(14)、外层金属编织网(13)以及外PU护套(12)组成。
4.根据权利要求3所述的一种应用光纤光栅传感器监测套管周向应变的方法，其特征在于：所述光纤温度补偿传感器(3)置于钢针针管内。
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